Bài tập dài cao áp 2

Bài tập dài cao áp là tài liệu hướng dẫn thiết kế tính toán chống sét đánh một phạm vi vùng bảo vệ được cho trước và tính toán nối đất

Bài tập dài cao áp.

I Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp.

1 Bố trí cột thu sét.

Theo sơ đồ kết cấu của trạm thì mới chỉ biết diện tích mặt bằng mà cha biết

cụ thể vị trí đặt các thiết bị trong trạm Với thông tin này ta chỉ cần bố trí cột chống sét sao cho các cột có thể bảo vệ đợc phần diện tích mặt bằng của trạm với độ cao hX là đợc

Với kết cấu của trạm ta bố trí các cột N1 N12 có khoãng cách giữa các cột

nh hình 1:

 Đờng kính của vòng tròn qua 4 đỉnh của các nhóm cột 1256 và 2345 là:

92 80

Do đó để chọn toàn bộ diện giới hạn bởi các nhóm tứ giác ấy đợc bảo vệ

Vậy độ cao hiệu dụng của nhóm cột này là: 11 , 5

8

92

m

 Đờng kính vòng tròn qua 4 đỉnh của các nhóm cột 5678, 4589, 781112,

891011 là:

67 50

Độ cao tác dụng tối thiểu để cho các nhóm cột này bảo vệ hoàn toàn diện tích bởi chúng là:

4 , 8 8

67

m

Nh vậy đối với tất cả các cột thu sét có thể lấy chung một độ cao tác dụng lớn nhất là : ha = 11,5 m Từ độ cao tác dụng ha ta có độ cao cột thu sét để bảo

vệ đợc trạm có độ cao hX

 Trạm 110kV có hX = 10 m :

h = hX + ha = 10 + 11,5 = 21,5 m

 Trạm 220kV có hX = 16 m :

h= hX + ha = 16 + 11,5 =27,5 m

101m

64m

Để tính toán đơn giản ta chọn toàn bộ 12 cột có độ cao bằng nhau.Muốn vậy thì ta phải giảm khoãng cách giữa các cột của trạm 220kV với mục đích làm giảm chiều cao cột thu sét của trạm 220kV mà vẫn thỏa mãn điều kiện sau:

D  8( h – K42 hX)

Ta bố trí lại các cột thu sét với khoãng cách nh hình 2:

Với cách bố trí này ta chọn độ cao của 12 cột là: h = 25 m Kiểm tra lại điều kiện bảo vệ của các vùng tứ giác

 Trạm 110kV:

Đờng kính của vòng tròn qua 4 đỉnh của các nhóm tứ giác 1256, 2345 là:

101 45

Ta có: D =101 m  8(h – K42 hX) = 8(25 – K42 10 ) =120 m Vậy cột cao 25 m

thỏa mãn điều kiện

 Trạm 220kV:

Đờng kính vòng tròn qua 4 đỉnh của nhóm các tứ giác 5678, 4589, 781112,

891011 là:

64 45

45 2 2

m

Ta có: D = 64 m  8(h – K42hX) = 8( 25 – K4216 ) = 72 m Vậy cột cao 25 m cũng thỏa mãn điều kiện của trạm 220kV

Vậy: Ta chọn cột thu sét cao h = 25 m

2 Tính toán và vẽ phạm vi bảo vệ của các cột thu sét.

a) Trạm cấp điện áp 110kV.

 Bán kính của khu vực bảo vệ của các cột thu sét bảo vệ cho độ trạm cao

hX = 10m là:

Vì hX  2/3h nên :

8 , 18 ) 25 8 , 0

10 1

.(

25 5 , 1 ) 8 , 0 1 (

5 ,

h

h h

 Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi ở độ cao hX =10 m là: gồm các nhóm hai cột : 16, 34

2 , 12 7

90 25

a h

Nh vậy bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét 16, 34 ở h = 10 m :

Trạm 110kV

Trạm 220kV

Hình 2

Vì hX  2/3 h0 nên:

65 , 1 ) 2 , 12

10 1 ( 2 , 12 75 , 0 ) 1 ( 75 ,

h

h h

r

o

x o

 Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa nhóm 2 cột thu sét 12, 13, 49, 67 là:

6 , 18 7

45 25

a h

Nh vậy bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét các cặp cột 12, 13,

49, 67 ở hX = 10 m :

Vì hX  2/3 h0 nên:

15 , 9 ) 6 , 18 8 , 0

10 1

.(

6 , 18 5 , 1 ) 8 , 0 1 (

5 , 1

0

h

h h

o

b) Trạm cấp điện áp 220kV.

 Bán kính của khu vực bảo vệ của cột thu sét bảo vệ cho độ cao hX = 16 m là:

Vì hX  2/3h nên :

5 , 7 ) 25 8 , 0

16 1

.(

25 5 , 1 ) 8 , 0 1 (

5 ,

h

h h

 Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi ở độ cao hX =16 m là: gồm các nhóm hai cột : 49, 67, 78, 910, 1011, 1112

6 , 18 7

45 25

a h

Nh vậy bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét 49, 67, 78, 910, 1011,

1112 ở hX = 16 m :

Vì hX  2/3 h0 nên:

95 , 1 ) 6 , 18

16 1 ( 6 , 18 75 , 0 ) 1 ( 75 ,

h

h h

r

o

x o

Từ các số liệu tính toán phạm vi bảo vệ của các cột thu sét ở trên ta có bản

vẽ phạm vi bảo vệ sau: hình 3

H×nh 3: Ph¹m vi b¶o vÖ cña c¸c cét thu sÐt.

R14,60 R14,60

R14,60 R14,60

II Tính toán nối đất.

Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện sét xuống đất để đảm bảo cho thế trên vật nối đất có giá tri bé

Trong việc bảo vệ quá điện áp, nối đất của trạm, của các cột thu sét, của đ-ờng dây và của thiết bị chống sét rất quan trọng Vì trạm trạm biến áp có cấp

điện áp từ 110kV và 220kV nên nói đất an toàn và nối đất chống sét chung nhau

1 nối đất an toàn.

Nối đất an toàn với mục đích là bảo vệ con ngời Nối đất an toàn với trạm

có điện áp từ 110kV trở lên phải thoả mãn 2 điều kiện sau:

Trong đó :

RTN : điện trở nối đất tự nhiên Ta lợi dụng hệ thống dây chống sét cột

Với:  n: Số tuyến đờng dây của trạm, lấy n = 2

 Rcs: Điện trở của dây chống sét trong một khoãng vợt

Rcs = R0.l = 2,38.l

 Rc: Điện trở nối đất của cột Vì  = 12.104 .cm > 104 .cm nên lấy Rc = 15 

 l: Chiều dài khoãng vợt Đờng dây 110kV có l = 200m

Đờng dây 220kV có l = 300m

Với các giá trị trên ta có điện trở nối đất tự nhiên của từng cấp điện áp

 Đờng dây 110kV :

 Đờng dây 220kV :

Vậy điện trở nối đất tự nhiên của hệ thống có 2 cấp điện áp 110kV và 220kV là:

RTN(110) // RNT(220) = 1,22 // 1,47 = 0,67 

 Với RNT: Điện trở nói đất nhân tạo

5 , 0

.



 NT

TN

TN NT

R R

R R

  RNT = 1,97 

Vì điều kiện RNT  1  nên lấy RNT = 1  Ta thiết kế hệ thông nối đất thoe

điện trở nối đất nhân tạo

R

HT  R

TN // R

NT  0,5 

RNT  1 

4

1 2

1 1







cs c

c Tn

R R

R n

R











4

1 2 , 0 38 , 2

15 2

1

15 2

1

Tn

R











4

1 3 , 0 38 , 2

15 2

1

15 2

1

Tn

R

a Tính toàn nối đất mạch vòng quanh trạm.

.

ln 2

2

d h

L k L R

T MV





Trong đó:

 RT: điện trở của thanh nối đất

 tt : điện trở suất tính toán

cm

k at mt do

tt 1 , 2 10 4 1 , 6 1 , 92 10 4









 

 h: độ chôn sâu h = 0,8 m

 L: chu vi mạch vòng nối đất L = 2( l1 + l2 ) = 2( 180 + 90 ) =540 m  d: đờng kính thanh Sử dụng thanh có tiết diện tròn với d = 2 cm

 k: hệ số hình dáng k = f(l1/ l2) = f(180/90) = f(2) = 6,42

Với các số liệu trên ta có giá trị điện trở nối đất mạch vòng là

1 , 1 2 10 8 , 0

10 540 42 , 6 ln 10 540 2

10 92 , 1

2

4 2 2

4











MV R

Ta có: RMV  RNT nên ta phải đóng cọc vào hệ thống nối đất để giảm điện trở nối đất của hệ thống

Điện trở cọc cần đóng

) 4

4 ln 2

1 2 (ln

l t d

l l

c















 Chọn cọc tròn có chiều dài l = 3m, đờng kính d = 5cm

 t = h + l/2 =0,8 + 3/2 = 2,3m

 .k at 1 , 2 10 4 1 , 45 1 , 74 10 4 m.

mc do



Suy ra:













3 3 , 2 4

3 3 , 2 4 ln 2

1 5

10 3 2 (ln 10 3

2

10 74 ,

2 4



c

Giã sử đầu tiên ta đóng n1 = 50 cọc

Khoãng cách giữa 2 cọc: a1 = L/n1 = 540/50 = 10,8m

Tỷ số : a1/ l =10,8/3 = 3,6

Tra bảng hệ số sử dụng của cọc và thanh ta có :

Với a1/ l =3,6  c = 0,72 và t = 0,45

Điện trở nối đất của hệ thống nối đất với số cọc n1 = 50 cọc là:

86 , 0 1 , 1 72 , 0 50 3 , 47 45 , 0

3 , 47 1 , 1

.

.

1









mv c c

t

c mv

R n R

R R R



Tơng tự tính cho các trờng hợp: n2 = 70 cọc, n3 = 100 cọc, n4 = 120 cọc,

n5=160cọc ta có bảng kết quả bảng 1:

Bảng 1:

Từ bảng số liệu ta có đồ thị quan hệ R = f(n) sau:

Hình 4: Đồ thị quan hệ R = f(n)

Qua đồ thị quan hệ trên ta tra đợc số cọc cần đóng là n =20 cọc Tra lại các

số liệu và tính lại điện trở nối đất của hệ thống

Ta có: Khoãng cách giữa 2 cột:

a = L/ n = 540/ 20 = 27m

Tỷ số a/ l = 27/3 = 9

Vì a >> l nên có thể xem nh c = 1 và t = 1 Từ đó ta có giá trị của điện trở nối đất hệ thống tính lại là:











1 , 1 20 1 3 , 47 1

3 , 47 1 , 1

.

.

c t

c mv

R n R

R R R



Vậy chỉ cần đóng n =20 cọc là thỏa mãn điều kiện R < RNT

n R

2 Nối đất chống sét:

Vì trạm sử dụng hệ thống nối đất phân bố dài ( nối đất mạch vòng) nên đồng thời phải xét đến cả hai quá trình là : Quá trình quá độ và quá trình phóng điện trong đất Do trạm có 2 cấp điện áp 110kV và 220kV nên ta chỉ cần tính nối đất chống sét cho cấp 110kV là đợc ở cấp điện áp này nối đất an toàn và nối đất chống sét chung nhau nên ta dùng nối đất an toàn kiểm tra lại cho nối đất chống sét

Sơ đồ đẳng trị của nối đất chống sét đợc biểu thị ở hình sau:

Hình 4: Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất.

Các tham số phân bố L, G xác định theo công thức:

m H r

L

L0  0 , 2 ln( /2 0 , 31 )  /

 L: chiều dài điện cực L = 540 m

 r: bán kính tiết diện thanh điện cực r = 1 cm

m H

01 , 0

2 / 540 ln(

2 , 0

1

G





 R: điện trở xoay chiều tính cho mùa sét

c

cs t t

cs c

cs t

cs c

R n R

R R R



 



Với:  điện trở cọc tính cho mùa sét:











45 , 1

3 , 47

CS C at C

at C CS

K

R

 Điện trở thanh tính cho mùa sét:











6 , 1

1 , 1

CS t at t

at t CS

K

R





89 , 0 20 1 , 39

89 , 0 1 , 39

 G  0,0031m

540 61 , 0

1

Từ sơ đồ đẳng trị có thể thành lập đợc hệ phơng trình vi phân

Phan Ngọc Việt- HTĐ I – K42 K42 8

L O

G O

I S

0

l

i L x

u













Sau khi giải các phơng trình vi phân trên với dạng sóng của dòng điện ở đầu vào của bộ phận nối đất có dạng sóng xiên góc i(o,t) = a.t, sẽ đợc điện áp tại

điểm bất kỳ trên điện cực











































1 2

2

) , (

k

T t

l

x k e

k T t R a t x

Suy ra tổng trở xung kích đầu vào:













































1 2

2 )

, (

) , ( ) , (

k

T t k

e k

t

T t R t o i

t o u t o z

Với: t = đs = 5 s,

s l

G L



540 003 , 0 98 , 1

2

2

2

2















k

T

T k 

Tổng trở tiến tới giá trị ổn định khi: 4 k 6.

T

t k





























1

6

1

2

1

T t T

t

k

e k

































36 5 44

25 5 44

16 5 44

9 5 44

4 5 44

5 2

36

1 25

1 16

1 9

1 4

1

1



=

= 0,5

 Tổng trở xung kích của hệ thống nối đất là:

















2

1 , 2

t

T R

t o Z























5

44 2 1 61 , 0 2 1

Điều kiện nối đất chống sét thỏa mãn khi:

T s xk

Với: dòng điện sét, Is = 150kA

điện áp 50% của trạm, đối với trạm 110kV có U50% = 460kV

 Uxk = 3150 = 450kV < 460kV Vậy hệ thống nối đất an toàn cũng thoả mãn cho nối đất chống sét của trạm

ta không cần phải nối đất bổ sung